膳食纤维是不能为人体消化酶所消化的高分子 糖类的总称，包括水溶性和非水溶性膳食纤维两种。 水溶性膳食纤维包括果胶、木聚糖、甘露糖等，非水 溶性膳食纤维包括纤维素、半纤维素、几丁质等 研究表明，水溶性和非水溶性膳食纤维的物性不同， 其保健作用也不同，防病机理分别为吸水分散后 的水溶性膳食纤维溶胶，可在肠道内成膜，阻止消化 物和肠壁接触，降低营养物质的吸收速率，平缓吸收 高峰，消减糖尿病人的餐后血糖峰值；还可提高肠内 物质的下行速度，提高粪便的含水率，加速排便，预 防便秘；另外，溶胶特有的网状结构可包围胆酸，阻止小肠对胆酸的吸收，降低了人体中胆酸向胆固醇 的转化量。非水溶性纤维可吸水溶胀，其固态特性稀 释了大肠中致癌物浓度，使肠道得到清理，可缓解便 秘及预防结肠癌。

为了发挥膳食纤维的综合保健作用，一般希望 其同时具有水溶性和非水溶性膳食纤维的双重特 性。从一种天然产物中制备的膳食纤维往往仅具有 上述部分功能，通过改性工艺来取得性能完备的膳 食纤维产品十分必要。

1研究思路和方案

非水溶性纤维素的改性一般有化学（如羧甲基 化等）m和物理（挤压蒸煮和微细化加工）f9、M两种方 法。目前人工改性纤维素的性价比差强人意，如在大 豆纤维素中加人彼此完善的天然水溶性膳食纤维， 即通过复合来获得一种功能完备的膳食纤维素^12]， 将是一种简单实用、经济可行的思路。

1.1实验材料的物性分析

非水溶性大豆纤维素的主要成分包括纤维素、 半纤维素、几丁质等，其中约有70%的成分是由葡萄 糖单体缩聚而成的直链高分子，而且都是以P(l—4) 糖苷键连接起来的多糖类[15]。浓度为0.025g/mL的大 豆纤维素溶液的粘度为2.3MPa*s，表面张力为 70.8mN/m,持水率为2.78,膨胀率为4.92。

 

图190%非水溶性大豆纤维素显微结构

图1为90%非水溶性大豆纤维素颗粒的微观结 构及颗粒表面的状态。大豆纤维素颗粒为棒状、条状 及块状，形状不规则，纤维素颗粒无分支结构，表面 宏观上平滑，颗粒尺寸范围为lO-^lO^m,在水中呈 无序状立体分散状态，除棒状颗粒表面粘带有细小 的颗粒外，彼此间无明显粘结，体系呈现悬浊液的一

 

 

般特性。尽管体系的对流作用由于纤维素颗粒的存 在而受阻，但颗粒间因有游离液存在，质传递速率降 低不明显，因此只具有填充、清理及吸附功能，而膨 胀率、持水率有限，粘度较低，成膜性差。

 

图2瓜尔豆胶颗粒的显微结.构及在水中的分散状态 瓜尔豆胶是主链为(1—4)-p-D-甘露糖单位，侧 链由单个的ct-D-半乳糖以（1—6)糖苷键与主链相 连，且侧链在主链上的分布分为没有半乳糖的光滑 区和多半乳糖的高取代区，在离子强度很低的情况 下，无分支的光滑区能通过氢键与某些线性多糖形 成复合体[|5)。浓度为〇.〇25g/mL的瓜尔豆胶溶液的粘 度为460.3MPa.s,表面张力为73.3mN/m。

图2为瓜尔豆胶颗粒的显微结构（左图）及在水 中的分散状态（右图）。瓜尔豆胶颗粒多为不规则的 块状，组织结构密实，颗粒尺寸范围为l〇~l〇Vm。通 过分析瓜尔豆胶溶胶升华干燥后的组织发现，溶胶 经升华干燥后呈疏松海绵状，由此可推断，瓜尔豆胶 可均匀分散于水相体系中，不再有明显的团粒结构。

 

图3果胶颗粒的显微结构及在水中的分散状态 果胶是D-半乳糖醛酸残基经〇i(l—4)键相连接 聚合而成的酸性大分子多糖，半乳糖醛酸C6上的羧 基许多被甲酯化，且在（：2或C3的羧基位置上常带有 支链，因此果胶分子不是以直线形式存在，而多呈折 叠状t171。浓度为〇.〇25g/mL的果胶溶液的粘度为 279MPa_s,表面张力为65.8mN/m。图3为果胶颗粒的 显微结构及在水中的分散状态。果胶颗粒呈不规则团 粒状，颗粒尺寸范围为l~l〇Vm。通过分析果胶溶胶 升华干燥后的组织发现，与瓜尔豆胶类似，果胶溶胶 经升华干燥后也呈蓬松的海绵状，且形成的网膜厚度 更均匀一致，孔隙率更高，同样可推断，果胶比瓜尔豆 胶更易在水中分散、溶胶体系更均匀，吸水速率更高。 1.2技术方案的分析确定

果胶、瓜尔豆胶的分子结构都是多支链的大分

研究与探讨捻為 >料斗咸

V〇1.26,N〇.7,2005

子多糖，且侧链在主链上的分布形式不均匀，侧链分 布密集的区域称为毛发区，而没有侧链的区域称为 光滑区，毛发区与光滑区相间存在[18^。而大豆纤维素 分子是无支链的近于双螺旋的长链结构。

根据它们在分子结构上的互补性可推断，在湿 状态下其复合的机理为，果胶、瓜尔豆胶分子在水中 吸水溶胀，充分分散伸展形成网状结构，大豆纤维素 分子分散、镶嵌到水溶性纤维溶胶中，溶胶表面与果 胶、瓜尔豆胶分子的光滑区通过氢键相互结合#191,纤 维颗粒被牢牢吸附在网状结构表面。这种结构使原 来大豆纤维素悬浮液体系中的水被瓜尔豆胶和果胶 形成的溶胶填充，复合膳食纤维素的结构及物性研究，体系的粘度增加，摩擦力增大，对 流减缓，降低了质传递速率。同时原来存在于瓜尔豆 胶和果胶形成的溶胶网状结构中的水被纤维颗粒所 取代，增加了溶胶体系的膨胀率和致密程度，从而形 成了固、胶、液混合的三维网状结构。

综上所述，利用大豆纤维素和果胶、瓜尔豆胶在 结构上的互补性，在水中溶解、分散特性，以及粘度、 溶解性、膨胀率、持水率、表面张力等物性的不同，本 实验拟以大豆纤维素（非水溶性纤维素含量>90%)为 基本材料IB，'以粘度、表面张力高，成膜性好，较易溶 解分散的天然植物胶——瓜尔豆胶、果胶为辅助材 料，在湿状态下进行复合配比，得到一种质地密实，粘 度、表面张力高，成膜性好，同时具有水溶性和非水溶 性物性的复合产物。在此基础上，进一步观察复合产 物在水中的分散性，形成的均匀体系在水中的稳定程 度，电镜观察复合产物分子间的空间嵌合结构，测定 复合产物的物性参数粘度、表面张力的变化。

2材料与方法

2.1材料与设备

大豆纤维素（非水溶性纤维素含量>90%) 深远 食品有限公司生产；果胶北京市化学试剂公司购 买；瓜尔豆胶食品级，印度产。

NDJ-79旋转粘度计，JA1003N精密电子天平， Jzhyl-180界面张力仪，TDL-5-A离心机，JB-3型定 时恒温磁力搅拌器，HITACHIS-570扫描电镜。

2.2检测参数及方法

2.2.1粘度采用NDJ-79旋转粘度计测定，温度 26*^，单位 Pa-s。

2.2.2表面张力采用Jzhyl-180界面张力仪测定， 温度26T；,单位N/m。

2.2.3膨胀率膨胀率（SW)=[溶胀后体积（mL)-干 品体积（mL)]/样品干重（g)

测定步骤：取10mL浓度为0.025g/mL的溶液于 25mL量筒中，加水搅拌并定容到25mL,静置4h后 读取分界面下溶胶的体积。

I 2005年第7期

 

2.2.4持水率持水率（WHC)=[样品湿重（g)-样品 干重（g)]/样品干重（g) 

 

测定步骤：取10mL浓度为0.025g/mL的溶液于 50mL离心管中，离心20min，分离因数2775.5,称量 除去上清液后的湿样品质量。

2.3显微观察方法

将复合纤维素配置成〇.〇25g/mL的溶胶并升华 干燥成干品，采用HITACHIS-570扫描电—观察其 空间结构。

3结果与分析

3.1不同配比复合物的物性指标

表1大豆纤维素与瓜尔豆胶单品及复合物的物性指标

序号比例

大豆纤维素瓜尔豆胶粘度 (MPa-s)表面张力 (mN/m)

GK,402.370.8

CK204460.373.3

131181068.37

232591071.9

37326507Z63

大豆纤维素与瓜尔豆胶以三种不同配比复合均 能形成粘度较高的溶胶。如表1所示，复合物比单品 的粘度均明显提髙，其中2的效果最好。复合物表面 张力虽与两种单品的表面张力差别不大，但极易形 成稳定的薄膜。

表2大豆纤维素与果胶复合物及单品的物性指标比较

序号比例

大豆纤维素果胶粘度 (MPa-s)表面张力 (mN/m)

CK!402.370.8

CK20427965.8

131101059.6

232276067.2

373159065.5

如表2所示，大豆纤维素与果胶按上述三种配比复 合得到的产物在粘度上比单一成分都有明显提高，其中 2和3的效果更好些。复合产物的表面张力变化不大。复合膳食纤维素的结构及物性研究， 调和、放置一段时间后，溶胶体系出现分层，上层为大豆 纤维素与果胶的复合层，下层为少量（在12%)的纤维素 沉淀层，且果胶溶胶中镶嵌的纤维素颗粒相对少。

原因推测为：首先，果胶溶胶对于纤维素的吸附 作用相对较差；其次，果胶吸水速率髙且易分散，但 吸水能力有限，果胶溶胶体系粘度较低，纤维素与果 胶颗粒彼此间连接力不足以承托纤维素颗粒；另外， 根据果胶分子的结构还可推测：果胶分子的分支结 构部分被酯化，大豆非水溶性膳食纤维素分子与果 胶网络形成氢键能力减弱，形成的复合体系不稳定 从而出现沉淀。

上述两种复合物粘度大幅度增加可解释为，在 大豆纤维素的水相分散体系中，水充斥于颗粒间，在 实验浓度下，体系的层间滑移阻力主要体现为水的 粘度，故粘度较低。同样道理，瓜尔豆胶及果胶颗粒

2005 年第 7 期〕

吸水溶胀、分散，尽管溶胀的颗粒间仍有水隔层，粒 子间已在空间互有交叉，故粘度较高。而在复合物体 系中，大豆纤维素颗粒间充满瓜尔豆胶及果胶溶胶， 由于两种物料间的吸附作用，体系已形成固、胶相互 络合的空间网状结构，层间滑移作用需破坏这种连 接关系，而破坏这种连接所需的力远髙于水层间滑 动的力，因此，表现为复合物的粘度成倍增加。粘度 的增加使复合物体系的层间摩擦力增大，对流作用 减缓，成膜性改善，有利于形成连续、稳定的阻隔层， 减缓质传递速率，从而更有效地发挥纤维素的生理 功效。

3.2复合物的显微结构

3.2.1大豆纤维素与瓜尔豆胶复合物的空间结构见 图4。

 

b

图4大豆纤维素与瓜尔豆胶复合物的显微结构 图4a所示为大豆纤维素颗粒分散、镶嵌到瓜尔 豆胶溶胶体系中，纤维素替代水填充到溶胶体系中， 使这一网络质地更加致密。图4b所示为溶胶表面的 纤维素颗粒与周围的瓜尔豆胶溶胶形成相互吸附或 相互缠绕的立体结构，这种结构使体系的稳定性增 强。大豆纤维素悬浮液体系中的水被溶胶所取代，体 系的粘度增加，对流作用减缓，有利于成膜，从而提 高了体系阻止质传递的能力。根据瓜尔豆胶分子的 结构还可推测，瓜尔豆胶分子中没有侧链分布的光 滑区与纤维素分子通过氢键结合，纤维素分子被牢 牢吸附在溶胶体系中，从而提高了体系的稳定性。 3.2.2大豆纤维素与果胶复合物空间结构见图5。

 

图5大豆纤维素与果胶复合产物的显微结构

图5a所示为大豆纤维素分散、镶嵌到果胶溶胶 中，使网络质地更加致密。从图5b可以看出，在果胶 

研究与採讨K&w斜欲

Vol.269No.7y2005

表3 70%大豆纤维素的物性指标

颜色分散性持水率膨胀率粘度(MPa.s)表面张力（mN/m)

白色粉末不分散，部分溶胀9.5410.122.1756.9

 

 

网状结构的表面没有结合纤维素颗粒缠绕，复合膳食纤维素的结构及物性研究，这可能是 因为果胶颗粒吸水后虽然也有分散，但是颗粒仍然保 持了一定的胶团状结构，溶胶体系中仍然有游离水存 在。纤维颗粒虽然镶嵌到了果胶溶胶的网状结构中， 由于体系中游离水的存在，使层间摩擦力减小，体系 的稳定性减弱，放置一段时间后会有沉淀出现。

3.3与70%大豆纤维素的物性比较

 

图6 70%大豆纤维素的显微结构 图6所示为，市售非水溶性纤维素含量为70% 的大豆纤维素在湿状态下的显微结构。可以看出，其 中的水溶与非水溶性成分已经完全结合，形成了一 种非常理想的稳定三维网络结构，而实验中复合物 只是将非水溶性纤维素镶嵌到水溶性纤维的溶胶 中，彼此仍有较明显的界限。尽管这类大豆纤维素颗 粒在结构上已经达到了理想状态，形成了水溶性成 分与非水溶性成分的良好复合，但是由此构成的体 系物性不甚理想。这类大豆纤维素中所谓的水溶性 成分可能只是一些黏附于非水溶性纤维素表面，其 粘度、表面张力远不能达到瓜尔豆胶及果胶的分散 效果的物质。体系仍然表现为普通悬浊液的特性，稳 定性差，成膜性及阻隔质传递的能力远不及复合物。

4复合膳食纤维素的结构及物性研究结论

本实验利用天然水溶性膳食纤维瓜尔豆胶和果 胶与大豆纤维素复合来改善大豆纤维素物理性质上 的缺陷，使复合后的大豆纤维素能更好的发挥其生 理功能。

4.1瓜尔豆胶、果胶与大豆纤维素复合，提髙了大豆 纤维素的粘度、表面张力等物性参数，其中复合比例 为2:3的瓜尔豆胶、果胶与大豆纤维素复合物粘度提 高最显著，在固形物含量同为2.5%的纤维素溶胶中， 大豆纤维素的粘度为2.3MPa*s，瓜尔豆胶大豆纤维 素复合物的粘度提髙至5910MPa*s，果胶与大豆纤 维素复合物的粘度提高至2760MPa*sD

4.2大豆纤维素与瓜尔豆胶、果胶形成的复合体系 均勻，但后者的复合体系不稳定。分析原因为：果胶 虽然吸水速率髙，但吸水能力有限，形成的溶胶体系 粘度较低，纤维素与果胶颗粒彼此间的连接力不足 以承托纤维素颗粒，造成沉淀。根据果胶的分子结构 还可推测为，果胶分子的分支结构部分被酯化，大豆 纤维素分子与果胶网络形成氢键能力减弱，形成的 复合体系不稳定从而出现沉淀。

4.3复合物中的水溶性与非水溶性成分的结合状态 不及市售大豆纤维素（非水溶性纤维素含量70%)紧 密，但粘度、表面张力、成膜性等物性指标显著高于 后者，故复合可得到物性优于其他加工方法得到的 纤维素产品。

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